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Des forces physico-chimiques

De
660 pages

L’étude des forces physiques et chimiques qui interviennent dans les combinaisons et la constitution moléculaire des corps ainsi que dans le mélange des dissolutions des sels, est une question de première importance pour la philosophie naturelle. On en distingue deux principales : l’une qui produit des actions attractives à de grandes et à de petites distances ; l’autre, les actions répulsives.

Ces forces qui régissent la nature inorganique sont physiques ou chimiques ; les premières comprennent l’attraction générale, la chaleur, la lumière et l’électricité ; les secondes, les affinités, et l’attraction moléculaire ou cohésion.

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Antoine-César Becquerel

Des forces physico-chimiques

Et de leur intervention dans la production des phénomènes naturels

A SA MAJESTÉ

 

DOM PEDRO D’ALCANTARA

 

EMPEREUR DU BRÉSIL

SIRE,

En prenant la liberté de dédier à Votre Majesté un ouvrage qui résume tous mes travaux physico-chimiques depuis plus de cinquante ans, je désire lui témoigner de nouveau ma vive reconnaissance pour l’honneur qu’elle a bien voulu me faire en me donnant une marque publique de son estime.

 

Votre Majesté, qui a su réunir, à une vaste érudition, une connaissance approfondie de toutes les sciences, voudra bien accueillir avec bienveillance, j’ose l’espérer, un ouvrage qui touche à tous les grands phénomènes de la nature.

 

J’ai l’honneur d’être,

 

Sire, avec un profond respect,

Votre très-dévoué et reconnaissant serviteur,

 

 

BECQUEREL.

DISCOURS PRÉLIMINAIRE

*
**

Dans l’ouvrage que nous publions sur le mode d’intervention des forces physico-chimiques dans la production des phénomènes naturels, nous avons commencé par exposer les rapports existant entre les forces de la nature, puis les résultats des recherches que nous avons faites à cet égard et dont les premières datent du 16 juin 18231, époque à laquelle nous présentâmes à l’Académie un mémoire sur le dégagement de l’électricité dans les actions chimiques. Dans le cours de la même année2, puis en 1824 et dans les années suivantes, nous exposâmes les lois de ce phénomène, qui ont donné un grand développement à l’électro-chimie, et eurent pour résultat de substituer à la théorie du contact de la pile. voltaïque la théorie électro-chimique, à laquelle ont ensuite concouru de la Rive depuis 18283, et Faraday depuis 18324.

En 1829, nous fîmes connaître les principes sur lesquels reposent les piles à deux liquides, dites à courant constant, et notamment la pile à sulfate de cuivre5.

En 18356, nous construisîmes le couple dit à oxygène, dans lequel se trouvait un seul métal, non attaqué, le platine ou l’or, et deux liquides, l’acide nitrique et la potasse caustique, pouvant réagir chimiquement l’un sur l’autre par l’intermédiaire d’une cloison perméable.

Dans cet ouvrage, nous avons pris ces recherches comme points de départ, et nous avons commencé par exposer toutes les observations que nous avons faites jusqu’ici sur le dégagement de l’électricité dû à la réaction des dissolutions les unes sur les autres, et sur la circulation des courants le long des parois des diaphragmes perméables qui les séparent7 courants auxquels nous avons donné le nom de courants électro-capillaires. Puis, nous avons exposé les propriétés de ces courants dans les trois règnes de la nature. Ce cadre est très-vaste ; aussi pensons-nous avoir seulement posé des jalons servant de guides à ceux qui voudront s’occuper de cette importante question, laquelle se rapporte d’une manière intime aux réactions si nombreuses produites dans les différents corps des trois règnes de la nature.

Les courants électro-capillaires produisent peut-être, dans certaines circonstances, des effets que Berzélius attribuait à cette force mystérieuse, qu’il appelait catalytique, et dont il pressentait l’origine, quand il s’exprimait comme il suit8 : « La force catalytique n’est ni la pesanteur, ni la cohésion, ni l’affinité ; et en admettant, ce qui est probable, que c’est une manifestation de la force électrique, nous devons croire qu’elle est d’une nature toute particulière et si différente de l’électricité ordinaire, qu’elle mérite donc une dénomination spéciale. »

Nous pensons que si ce grand chimiste eût existe a l’époque où l’on a fait connaître les actions électro-capillaires, il aurait essayé d’y rattacher celles qu’il attribuait à la force catalytique.

Nous avons exposé les rapports existant entre les forces physiques et chimiques et les actions qu’elles produisent, en agissant soit séparément, soit concurremment, et notamment celles qui résultent des courants électro-capillaires dans les trois règnes de la nature.

Nous avons montré ensuite comment il était possible, à l’aide de ces courants, d’étudier le mécanisme en vertu duquel les molécules arrivent à un état d’équilibre stable dans les doubles décompositions.

Nous avons abordé ensuite une question de la plus haute importance, avec une certaine réserve toutefois, celle qui concerne le mode d’intervention des forces physico-chimiques dans la production des phénomènes organiques. Berzélius a dit à ce sujet9 : « Dans la nature vivante il se manifeste, sans doute, des phénomènes physiques et chimiques tellement différents de ceux de la nature inorganique, qu’on pourrait se croire autorisé à admettre une force vitale chimique ; mais, en examinant les choses de plus près, nous reconnaîtrons facilement les effets des forces naturelles ordinaires placées sous l’influence d’une multitude de conditions différentes qui ne se présentent que très-rarement et dont la plupart ne s’offrent jamais dans la nature inorganique. »

Tous les corps organisés sont formés d’organes, de tissus capillaires et de liquides de composition différente, à l’aide desquels la vie est entretenue dans toutes leurs parties. Les courants électro-capillaires peuvent intervenir puissamment, car ils n’exigent, pour remplir leurs fonctions, que des tissus perméables et des liquides de différente nature ; mais il faut pour cela que les organes, les divers tissus et les liquides conservent leur état primitif. Les tissus viennent-ils à se distendre par une cause quelconque, leur porosité, par exemple, vient-elle à changer, les liquides se mélangent peu à peu, les actions électro-capillaires cessent alors et la mort ne tarde pas à arriver. La force vitale pour nous est donc celle qui maintient intactes l’organisation des tissus et la composition des liquides.

Les deux exemples suivants serviront à montrer l’importance que l’on doit attacher à l’étude des actions électro-capillaires : Supposons, que l’on introduise de l’eau ou un autre liquide dans l’estomac, ces liquides exerceront une action sur le sang veineux par l’intermédiaire des tissus qui les séparent. Il en résulte des effets électro-chimiques que l’on peut constater et qui indiquent alors si le sang a éprouvé une oxydation ou une réduction.

Autre exemple : Trouve-t-on dans un filon ou dans la fissure d’une roche un minéral cristallisé, d’origine aqueuse, et dont on ne connaît pas le mode de formation ; on sait seulement que le filon ou la roche encaissante est traversé par des eaux contenant les substances qui entrent dans la composition du minéral ; il est possible souvent de reproduire ce dernier dans un appareil électro-capillaire, comme on en cite un certain nombre d’exemples dans l’ouvrage.

L’étude des actions physico-chimiques sur notre globe, nous a amené naturellement à nous demander s’il ne s’en produirait pas de semblables sur le soleil dont l’origine est la même que celle de la terre.

L’analyse spectrale de la lumière solaire et de la lumière stellaire nous apprend que les éléments matériels qui composent la terre se trouvent également dans les astres ; on est conduit ainsi à admettre que les forces propres à la matière agissent également dans tout l’univers. D’un autre côté, le soleil et la terre ayant eu une origine commune, il est naturel de comparer les phénomènes physiques et chimiques produits dans les premiers âges de notre globe, à ceux qui ont lieu maintenant dans le soleil, dont le volume étant 1,326,480 fois plus considérable que celui de la terre, a dû éprouver un refroidissement excessivement lent dans le même temps. Or, on peut se rendre compte, jusqu’à un certain point, des changements successifs qui se sont opérés, dans la terre, lorsque son refroidissement a commencé.

On distingue en effet trois époques calorifiques pendant la formation de notre planète. La première est celle où tous les éléments étaient à l’état gazeux, par suite d’une température excessivement élevée ; “tous les éléments étaient alors dissociés.

La deuxième est celle où, la température étant suffisamment abaissée, les affinités commencèrent à exercer leur action. Les composés formés passèrent successivement à l’état gazeux, liquide et solide ; il se produisit alors de puissantes actions chimiques, accompagnées d’effets électriques, qui rendirent étincelante l’atmosphère déjà formée ; la foudre devait éclater de toutes parts.

La troisième époque est celle où, la température étant suffisamment abaissée, l’eau commença à prendre l’état liquide et à réagir sur les corps déjà formés, en produisant un dégagement de chaleur et d’électricité énorme qui contribuait à rendre lumineuse l’atmosphère.

La deuxième époque est celle à laquelle il faudrait rapporter la constitution actuelle du soleil, autant qu’il est possible de le supposer, en s’appuyant sur les données que nous fournissent l’astronomie, la géologie et les éruptions volcaniques anciennes et modernes.

Nous avons cru devoir exposer ensuite les principaux phénomènes de l’atmosphère, phénomènes lumineux, électriques et aqueux, ce qui nous a conduit à parler des climats, de leur constance, de leur variabilité et de l’influence qu’exercent sur eux les forêts.

Nous avons donné enfin un aperçu général des actions lentes qui ont lieu dans les différents terrains, et auxquelles concourent les forces physico-chimiques.

On voit donc que nous nous sommes attaché à exposer, dans cet ouvrage, la plupart des grands phénomènes de la nature, à la production desquels concourent toutes les forces physico-chimiques.

INTRODUCTION

Si l’on veut avoir une idée générale du mode d’intervention des forces physico-chimiques dans la production des phénomènes naturels, il faut commencer par considérer la terre à son origine et suivre pour ainsi dire pas à pas les changements qui se sont opérés jusqu’à l’époque actuelle, où la plupart de ces forcés n’agissent plus que lentement, et pour produire des effets que l’on peut analyser et même reproduire dans un grand nombre de cas.

Le soleil, d’après l’hypothèse la plus probable, a été formé dans un amas de matière gazéiforme qui s’est condensée autour d’un ou de plusieurs noyaux. L’étendue de cet amas ne dépassait pas les points où la force centrifuge était égale à la pesanteur. A mesure que le refroidissement résultant du rayonnement céleste agissait, les molécules se rapprochaient du centre, la vitesse de rotation du noyau augmentait, d’après les lois de la mécanique sur la conservation des aires ; le refroidissement continuant, l’atmosphère entourant le noyau central a pu abandonner des zones de matières au milieu desquelles se sont formés également d’autres centres de condensation qui ont continué à circuler autour du noyau principal. Telle est l’hypothèse adoptée par Laplace sur la formation du soleil, des planètes, de leurs satellites et des corps du système planétaire, qui gravitent autour de cet astre.

Dans le principe, lors de l’état de nébulosité, tous les éléments étaient séparés, la température étant trop élevée pour que les affinités pussent exercer leur action ; il y avait donc mélange complexe de tous les éléments qui entrent dans la composition des astres ; mais à. mesure que le refroidissement s’effectuait autour de chaque noyau, les substances les plus réfractaires se précipitaient les premières, puis celles qui l’étaient moins, et ainsi de suite. La forme sphéroïdale et l’aplatissement aux pôles sont une conséquence de l’état liquide primitif des planètes et de leurs mouvements révolutifs. L’influence du rayonnement céleste étant incessante, leur surface s’est solidifiée, tandis que les parties intérieures, préservées par la croûte formée, ont conservé une portion peut-être encore fort considérable de leur chaleur primitive, comme semblent l’indiquer, à la surface de la terre, les phénomènes volcaniques et l’existence des eaux thermales.

Entrons dans plus de détails sur la formation de la terre, afin de montrer la série des phénomènes de même nature qui ont dû se produire dans tous les astres du système planétaire, en y comprenant même le soleil ; la terre servira de terme de comparaison.

Lorsqu’un voyageur se transporte sur l’une des sommités des Alpes ou de toute autre chaîne de montagnes, et que de là il contemple, aussi loin que sa vue peut s’étendre, les roches amoncelées comme autant de ruines, et ces mouvements ondulés du sol encore sensibles à de grandes distances, il demeure convaincu que des révolutions et des catastrophes violentes ont bouleversé la surface du globe à diverses époques. Si, revenu de la vive impression qu’a produite sur lui cet imposant spectacle, il parcourt ces ruines pour les interroger et y chercher des faits propres à lui faire connaître la nature des forces qui étaient en action dans les premiers âges du monde, loin d’y rencontrer le chaos, tout lui annonce que ces grands cataclysmes, dont il voit partout des preuves irréfragables, sont le résultat de forces qui ont agi à diverses époques et à chacune de ces époques dans une même direction ; si, continuant son exploration, il s’arrête devant les escarpements qui bordent les vallées, il les trouve la plupart du temps formés de dépôts de substances diverses, en couches parallèles, d’autant plus relevées à l’horizon qu’elles sont plus voisines des hautes chaînes, tandis que, dans les plaines, ces mêmes couches sont horizontales ; sur les versants opposés, les mêmes effets se présentent, mais en sens inverse. Ces faits lui annoncent donc que des causes intérieures ont soulevé la surface du globe à différentes époques, et ont produit ces chaînes de montagnes qui la sillonnent en tous sens.

Notre philosophe voyageur descend-il dans les excavations naturelles, ou formées par l’art, il reconnaît d’abord que, fréquemment, les terrains sont composés d’abord de dépôts ayant une origine aqueuse, en couches horizontales, renfermant des débris de végétaux et d’animaux, souvent dans un état parfait de conservation. Ces dépôts présentent des fentes ou filons remplis de matières minérales venant de l’intérieur, et fréquemment des fissures donnant issue aux eaux ayant produit des actions élec tro-chimiques qui ont amené peu à peu la décomposition des roches et la production de diverses substances minérales que l’on reproduit aujourd’hui comme nous le démontrerons.

Vient-il à pénétrer plus avant dans les entrailles de la terre, il trouve des débris d’animaux et de végétaux appartenant à des espèces qui s’éloignent de plus en plus de celles actuellement vivantes, et qui finissent par en être tout à fait différentes. Enfin, arrivé aux terrains primitifs, il ne voit partout que l’aclion du feu. Il conclut de toutes ses investigations que la terre a été primitivement à l’état gazeux, c’est-à-dire que tous les éléments qui la composent aujourd’hui se trouvaient disséminés à l’état de vapeurs, dans un espace beaucoup plus étendu que celui qu’elle occupe aujourd’hui ; que le refroidissement successif de cet amas de vapeurs, conséquence inévitable du rayonnement de chaleur dans les espaces célestes, a donné naissance aux roches et substances diverses qui composent les terrains primitifs au-dessous desquels l’état physique de la terre nous est inconnu ; que, jusqu’à la formation des terrains de sédiment, époque de l’apparition des végétaux et des animaux, la puissance organique a lutté longtemps contre la nature morte et a fini par prendre le dessus ; que cette marche de la vie s’est faite graduellement, dans les temps de calme succédant aux révolutions subites qui, de temps à autre, bouleversaient la surface du globe. Ces grandes révolutions ayant cessé, l’homme parut, et depuis lors, la puissance créatrice ne s’est plus révélée à nous par la formation de nouveaux germes, du moins rien ne nous le démontre.

Lors de la formation des terrains ignés, la température des eaux et celle de la surface de la terre étaient trop élevées pour que les terrains pussent être habités par des êtres organisés ; aussi y a-t-il absence complète de restes organiques dans toutes les formations des terrains les plus anciens ; ce n’est que dans les terrains de sédiment que la vie organique a dû commencer ; mais comment s’est opérée la transition de la vie inorganique à la vie organique ? là est le secret du créateur.

La géologie nous apprend que la nature a suivi une marche progressive dans la création des êtres organisés, en commençant par les plus simples, et successivement jusqu’aux plus composés, à mesure que les conditions atmosphériques changeaient. Mais quelles sont les forces qui ont concouru à la formation de tous les corps organisés ? Notre ignorance est telle à cet égard que si, par une cause quelconque, les corps organisés et les substances diverses qui composent la terre venaient à être volatilisés par un excès de chaleur et qu’il se produisit ensuite un refroidissement graduel, comme dans les premiers âges de la terre, les composés inorganiques se reformeraient, d’après des lois connues, tandis que nous ne voyons pas comment les germes des animaux et des végétaux pourraient se reproduire. Il faut donc admettre l’existence d’une puissance créatrice qui s’est manifestée à certaines époques, et qui ne semble plus agir aujourd’hui que pour perpétuer les espèces actuellement vivantes.

Berzélius s’exprime à cet égard en ces termes :

« Une force incompréhensible, étrangère à la nature morte, a introduit le principe de la vie dans la nature organique, et cela s’est fait, non comme un effet du hasard, mais avec une variété admirable, une sagesse extrême, et dans le but de produire des résultats déterminés, et une succession non interrompue d’individus périssables, naissant les uns des autres, et parmi lesquels l’organisation détruite des uns sert à l’entretien des autres ; et tout ce qui tient à la nature organique prouve un but sage, et nous révèle un entendement supérieur. L’homme, en comparant ses calculs pour atteindre un certain but avec ceux qui ont dû présider à la composition de la nature organique, a été conduit à regarder la puissance de penser et de calculer, comme une image de cet être auquel il doit son existence. Cependant, plus d’une fois, le philosophe à vue courte a prétendu que tout était l’œuvre du hasard, et que les produits pouvaient seuls se perpétuer en tant qu’ils avaient acquis accidentellement le pouvoir de se conserver, de se perpétuer et de se propager ; mais cette philosophie n’a pas compris que ce qu’elle désigne, dans la nature inerte, sous le nom de hasard, est une chose physique impossible. Tous ces effets naissent de causes, ou sont produits par des forces ; ces dernières, semblables à la volonté, tendent à se mettre en activité et à se satisfaire pour arriver à un état de repos qui ne saurait être troublé, et qui ne peut être sujet à rien qui réponde à notre idée de hasard1. »

Nous avons cru devoir rapporter ces paroles sublimes pour montrer que les esprits les plus élevés ne pensent pas que la matière puisse s’organiser elle-même par le concours seul des forces qui régissent la nature inorganique.

Des faits généraux que nous venons de rapporter, nous devons conclure que, depuis la formation des terrains de transition, tous les corps ont pu et peuvent encore être divisés en deux grandes classes : dans la première sont rangés les corps doués de la vie, dans la deuxième les corps qui en sont privés.

Les corps de la première classe sont composés de parties qui sont essentiellement différentes sous le rapport de la forme, de la composition et des fonctions qu’ils doivent remplir ; en détacher une ou plusieurs, ce serait altérer, détruire quelquefois les corps eux-mêmes. Ces parties indispensables à l’existence des corps ont été appelées organes, et les corps, corps organisés, tandis que l’on appelle corps inorganisés ceux dont toutes les parties sont similaires et qui peuvent être divisés, subdivisés, sans pour cela cesser d’exister.

Les corps organisés fonctionnent en vertu des forces de tissu, sous l’empire de la vie, et qui nous sont inconnues, et des forces physiques et chimiques dont nous connaissons les effets ; les corps de la nature inorganique sont soumis seulement à l’action de ces dernières, ce qui rend ainsi leur étude plus facile ; aussi pouvons-nous connaître leurs effets et même les calculer.

Nous avons donc à nous occuper du concours des forces physiques et chimiques qui interviennent dans les phénomènes de la nature organique et de là nature inorganique ; ces forces sont l’attraction à de grandes distances qui est la gravité, et à de petites distances, l’affinité, puis la chaleur, la lumière et l’électricité qui paraissent avoir toutes une origine commune.

Depuis plus de cinquante ans, nos recherches physico-chimiques ont eu principalement pour but d’établir les rapports existant entre ces forces, notamment les relations de l’électricité avec l’attraction à de grandes et à de petites distances, la chaleur et la lumière. Nous avons en conséquence multiplié les expériences, en variant les conditions, afin d’en déduire des conséquences pouvant éclairer la philosophie naturelle. Désirant embrasser la question sous le point de vue le plus général, nous avons étudié l’influence de ces forces, et leur concours réciproque dans la production des phénomènes chimiques, géologiques, météorologiques et physiologiques, en cherchant ce qu’il y a de commun ou de différent dans les effets produits sous le rapport des forces, bien entendu.

Nous nous sommes attaché particulièrement à montrer que l’électricité pouvait servir de base aux rapports qui lient entre elles les principales forces de la nature, en prouvant qu’elle ne devient libre qu’autant qu’il y a une action mécanique, physique, chimique ou physiologique de produite. Cette théorie, dite électro-chimique, qui repose sur des bases incontestables, remplace celle du contact, à l’aide de laquelle Volta a voulu expliquer les effets de la pile, la plus belle découverte des sciences physico-chimiques et qui l’a immortalisé.

LIVRE PREMIER

DES FORCES DE LA NATURE ET DE LEUR PRODUCTION

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CHAPITRE PREMIER

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES SUR LES RAPPORTS EXISTANT ENTRE L’ATTRACTION A DE GRANDES ET A DE PETITES DISTANCES, L’ÉLECTRICITÉ ET LA CHALEUR

§ I. — Opinion de Newton

L’étude des forces physiques et chimiques qui interviennent dans les combinaisons et la constitution moléculaire des corps ainsi que dans le mélange des dissolutions des sels, est une question de première importance pour la philosophie naturelle. On en distingue deux principales : l’une qui produit des actions attractives à de grandes et à de petites distances ; l’autre, les actions répulsives.

Ces forces qui régissent la nature inorganique sont physiques ou chimiques ; les premières comprennent l’attraction générale, la chaleur, la lumière et l’électricité ; les secondes, les affinités, et l’attraction moléculaire ou cohésion.

Quant aux forces qui régissent la nature organique, elles se composent de celles dont il vient d’être question et des forces de tissu et d’organisation, dont l’étude est au-dessus de la portée de l’homme qui ne doit chercher que le mode d’intervention des forces physiques et chimiques dans les phénomènes de la vie.

Rechercher ce qu’il y a de physique et de chimique dans les phénomènes de la vie est une étude qui attire depuis longtemps l’attention des physiologistes ; on conçoit très-bien que l’on puisse s’égarer facilement, si l’on arrive surtout avec des idées déjà arrêtées sur les causes des phénomènes ; celui qui attache une trop grande importance aux forces physiques ou chimiques, ne voit dans la vie que des résultats de l’attraction ou des affinités ; d’un autre côté, quelques physiologistes n’ont voulu voir que des forces particulières, sui generis, dans lesquelles les actions physiques ou chimiques n’interviennent en rien. La vérité se trouve probablement entre ces deux opinions extrêmes ; aussi doit-on distinguer, dans les phénomènes de la vie, la part que peuvent prendre à leur production les forces physiques ou chimiques de celle qui est due aux forces vitales.

Parlons d’abord de l’attraction.

La force attractive qui régit la matière, quelle que soit sa nature, est appelée gravité à de grandes distances ; elle est soumise à des lois simples, agissant proportionnellement aux masses et en raison inverse du carré de la distance ; il n’en est plus de même à de très-petites distances ; la nature des corps et la forme de leurs molécules interviennent dans les effets produits ; les lois dé cette attraction qui constitue l’affinité et la cohésion sont inconnues. L’affinité agit entre des particules dissemblables, la cohésion entre des molécules similaires. L’affinité, quand elle exerce son action, produit toujours un dégagement de chaleur et d’électricité, deux effets inséparables qui deviennent également causes d’effets chimiques produisant tantôt des combinaisons, tantôt des décompositions. On se demande, dès lors, si ces forces, dont nous observons et même calculons les effets, émanent ou non d’un même principe. On ne peut aborder cette importante question qu’avec une certaine réserve, car on n’a pas encore tous les éléments nécessaires pour la résoudre complétement ; néanmoins la discussion à laquelle nous allons nous livrer dans cet ouvrage servira, nous le pensons, à établir les rapports qui existent entre elles ; mais auparavant nous rappellerons les théories qui ont été données des phénomènes calorifiques, lumineux, électriques et chimiques.

Aussitôt après la découverte de la gravitation universelle, Newton chercha à montrer quelle pouvait être son intervention dans un grand nombre de phénomènes dépendant de l’attraction.

Voici en quels termes il définit la gravitation1 :

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